多組學分析在昆蟲滯育中的應用

類晶晶,公茂慶,劉麗娟

(山東省寄生蟲病防治研究所醫學昆蟲學部,山東第一醫科大學(山東省醫學科學院),山東濟寧 272033)

組學是把與研究目標相關的所有因素綜合在一起,作為一個“系統”來研究,是基于整體角度對某一組分的研究和評估(Hasinetal., 2017);包括基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等,各組學之間既相互獨立又具有聯系,通過轉錄組學、蛋白質組學以及代謝組學技術,將昆蟲研究中的問題展現在基因、蛋白質和代謝物三個不同層次水平上,有利于進一步探索和研究昆蟲發育中的各項問題。當前組學技術已成為解讀昆蟲發育過程的新工具,為昆蟲尤其是害蟲的預防和控制奠定了重要的理論基礎。

滯育是昆蟲為應對光周期、溫度等環境因素變化而進入停滯發育的一種休眠形式,是一種適應性和可塑性的表型,也是昆蟲在不良環境下得以生存、繁衍和進化的一大重要特征(Raglandetal., 2019; 姜春艷等,2021)。昆蟲滯育過程主要包含三個階段,即滯育前期、滯育期和滯育后期(Kostál, 2006),且不同昆蟲的滯育發生時期有所差異,即可能出現在卵、幼蟲或若蟲、蛹或成蟲階段(Ko?táletal., 2017; Hutfilz, 2022)。單一組學研究結果可以從某一層面解釋滯育調控的分子機制,但尚不能系統全面的闡明其間的具體因果關系。進入后基因組學時代,轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等功能性“組學”技術為深入了解昆蟲滯育提供了更為有效的方法;多組學分析是以中心法則為基礎,綜合兩種以上組學數據進行的比較關聯分析,利用不同組學水平分析結果間的相關性實現對單一數據的整合和深入分析,并在不同層面得到補充和印證,即更精準的確定與滯育相關的差異基因、蛋白質和代謝標志物,有助于進一步完善昆蟲滯育的分子調控網絡。

本文主要綜述了組學以及多組學技術在昆蟲滯育及其相關生理生化過程中的應用,有助于更加深入了解昆蟲生命活動規律,為進一步探明昆蟲對當前環境的適應機制以及探索害蟲有效防制措施提供理論依據。

1 各組學技術在昆蟲滯育中的應用

1.1 轉錄組學

轉錄組學是從RNA水平上對轉錄及轉錄調控規律的研究,其分析方法依托于分子雜交技術和測序技術。現今,轉錄組學技術已在多種昆蟲滯育調控機制的研究中應用(Zhaoetal., 2016; Dengetal., 2018; 劉敏,2020;孟佳和黃建,2022;趙娜等,2022)。研究者對不同發育時期的昆蟲進行高通量測序,獲得昆蟲全部生命時期的動態轉錄譜,為昆蟲尤其是害蟲的預防和控制奠定了重要的理論基礎(楊帆等,2014)。對同一昆蟲滯育與非滯育階段進行轉錄組學分析比較,以獲得滯育相關差異基因,從轉錄水平闡釋該昆蟲的滯育調控機制(張博等,2020;李艷艷等,2021)。此外,通過轉錄組學技術也可驗證一些激素或者基因在昆蟲滯育過程中發揮的作用或者參與的具體的調節機制(Duetal., 2022; 姚知含等,2022)。隨著下一代測序技術的發展,RNA-Seq技術已成為在轉錄組水平上分析差異基因表達不可缺少的工具。Christine Merlin課題組借助RNA-seq等方法對北美帝王蝶Danausplexippus的生物鐘基因及晝夜節律系統進行了深入的研究(Iiamsetal., 2019; Lugenaetal., 2019),獲得帝王蝶滯育分子機制的重要信息;Poupardin等人(2015)同樣采用RNA-seq技術對緣吸汁果蠅Chymomyzacostata幼蟲滯育分析發現短光照觸發滯育與光周期敏感階段20-羥基蛻皮酮信號通路的抑制有關。借助轉錄組學技術,人們對昆蟲的滯育行為有了更為豐富和客觀的認識。

1.2 蛋白質組學

蛋白質組學是以細胞、組織或生物體蛋白質的組成及其變化規律為主要內容的研究(Wilkinsetal., 1996),目前多借助于雙向凝膠電泳、iTRAQ/TMT定量蛋白質組學分析、等電聚焦及生物質譜分析等技術手段對蛋白質進行功能鑒別和分類。與滯育相關聯的蛋白在滯育期可特異表達,多以儲藏蛋白、抗凍蛋白、熱休克蛋白、分子伴侶或其他重要的代謝調節酶類物質形式存在,在昆蟲適應及抵抗逆境脅迫的過程中發揮重要作用(張禮生等,2015)。現有文獻大多采用比較蛋白質組學技術,再結合質譜及生物信息學方法,對滯育期和非滯育期的昆蟲進行比較,獲得與滯育相關聯的蛋白,如黃鳳霞等人(2015)利用iTRAQ技術結合生物信息學分析方法對煙蚜繭蜂Aphidiusgifuensis滯育前期及滯育期進行分析,獲得與脂代謝相關的蛋白有脂質運載/胞質脂肪酸結合蛋白(gi322794737)、C型凝集素(gi607305114)、肽基脯氨酰順反異構酶(W4X351_ATTCE)以及芳基貯存蛋白α亞基(gi332018934)等;Liu等人(2022)利用TMT蛋白定量技術聯合液相色譜串聯質譜(LC-MS/MS)分析技術揭示歐洲熊蜂Bombusterrestris的滯育發生機制。此外蛋白質組學技術在鞘翅目(七星瓢蟲Coccinellaseptempunctata、沙蔥螢葉甲Galerucadaurica)、雙翅目(傘裙追寄蠅Exoristacivilis、淡色庫蚊Culexpipienspallens)及膜翅目(茶足柄瘤蚜繭蜂Lysiphlebustestaceipes)等昆蟲中均有所應用(劉遙,2014;Maetal., 2019; 張倩等,2019;劉敏,2020;韓海斌等,2021)。

1.3 代謝組學

代謝組學是對生物體內所有代謝物進行定性定量分析的一門學科,是繼轉錄組學和蛋白質組學技術后的一項新技術,常采用核磁共振、質譜、色譜及色譜質譜聯用等方法。代謝是基因與表型之間的重要橋梁,基于代謝層面的組學分析可通過篩選滯育相關差異代謝物,從代謝角度分析昆蟲的滯育調節分子機制,而這種調節多與昆蟲的抗寒性有關。如Li等人(2015)研究發現滯育和非滯育寄生蜂的代謝譜中多種冷凍保護劑、氨基酸和碳水化合物的水平有顯著差異,且宿主滯育狀態也對寄生蜂的代謝特征產生顯著影響;Ko?tál等人(2016)發現黑腹果蠅Drosophilamelanogaster的高抗凍性與參與精氨酸和脯氨酸代謝的高水平氨基酸化合物密切相關;昆蟲滯育期產生的一些代謝產物除了起冷凍保護劑的作用,還可能兼具代謝時鐘或時間保持器的調節作用(Lehmannetal., 2018)。

近年來組學分析技術在昆蟲滯育中的應用研究列于表1。無論是轉錄組學、蛋白質組學還是代謝組學,在昆蟲滯育研究中都起到了不可忽視的作用,但單一組學研究結果往往局限于某一水平層次中,系統性和全面性不足,可能需要多個組學數據間的相互印證和補充以及更深層次的研究;此外樣本所處的滯育或生長發育階段及質量也與組學分析結果息息相關。

2 多組學聯合分析在昆蟲滯育中的應用

2.1 轉錄組學與蛋白質組學聯合分析

雖然轉錄組學基于mRNA轉錄水平,蛋白質組學基于蛋白質翻譯水平,但兩者均用來展現基因的表達情況。將從兩者篩選得到的差異基因和蛋白質進行通路富集,一方面可以有效提高蛋白的鑒定數量,另一方面也可以從蛋白水平對轉錄基因的突變信息進行驗證。因此蛋白質組學常與轉錄組學進行聯合分析,篩選出大量可能與昆蟲滯育相關的基因和蛋白(Maetal., 2019),用以描述生物功能因果關系的完整性。

目前,轉錄組學與蛋白質組學聯合分析主要應用于鞘翅目、鱗翅目、雙翅目以及膜翅目昆蟲中,尤其在越冬昆蟲的研究中應用較多。以滯育狀態越冬的昆蟲面臨諸多挑戰,一方面食物短缺難以彌補能量的消耗,迫使該環境下生存的昆蟲儲備大量的物質能量以維持這一階段的正常生命活動;另一方面為抵御低溫的迫害,促使體內產生低溫保護劑提高抗寒性,緩解或修復冷損傷(Teetsetal., 2023)。因此滯育期的特異基因和特異蛋白主要與碳水化合物、蛋白質和脂質等生化代謝途徑相關聯。劉敏等人(2020)利用轉錄組與蛋白質組聯合分析,證實茶足柄瘤蚜繭蜂滯育相關基因和蛋白主要影響該昆蟲的碳水化合物、脂質和能量代謝以及蛋白質翻譯等生物過程;中華通草蛉Chrysoperlasinica和日本通草蛉Chrysoperlanipponensis的轉錄組和蛋白質組分析結果也證實滯育相關基因和蛋白主要參與脂質和碳水化合物代謝途徑,富集的代謝通路多與脂類和碳水化合物相關(趙月明,2021;Chenetal., 2023)。另外,轉錄組學和蛋白質組學聯合分析常應用于昆蟲的生殖滯育研究中,Ma等人(2021)應用基因克隆和RNAi技術證實了保幼激素JH信號通路在沙蔥螢葉甲生殖滯育中起著重要的調控作用;Yang等人(2020)發現大豆莢螟Etiellazinckenella與脂肪酸生物合成和長壽調控相關的基因在滯育幼蟲中表達上調,而在新發育的蛹中表達下調。轉錄組學和蛋白質組學聯合分析在二斑葉螨Tetranychusurticae、煙蚜繭蜂等的生殖滯育研究中也有新的發現(Qiuetal., 2016; Zhaoetal., 2017)。此外,利用轉錄組學和蛋白質組學聯合分析,證實昆蟲激素通過代謝相關基因的轉錄調節昆蟲的滯育,如談倩倩等人(2016)運用轉錄組學和蛋白質組學技術證實保幼激素參與調節滯育前脂質積累、對抗逆基因的表達以及體內的含水量,在大猿葉蟲滯育中發揮了重要作用。

2.2 轉錄組學和代謝組學聯合分析

代謝組學是轉錄組學的延伸,可為轉錄組學提供更加表觀顯著的數據支持,基因的功能性變化最終會體現在代謝層面,而代謝物可以放大這些基因在功能水平的表達,兩者聯合分析使結果更加明確的同時也讓檢測更為便捷。昆蟲的滯育及滯育解除過程都離不開糖類、脂質和蛋白質等能量和營養物質的加持,即滯育階段的差異基因及差異代謝物多與抗逆性以及抵抗力的提高有關。

滯育與非滯育狀態下昆蟲的物質代謝通路存在明顯的差異性,富集通路主要集中分布在物質的合成和分解方面,甚至會開辟出新的代謝通路(Hahnand Denlinger, 2011; 劉遙,2014)。

轉錄組學與代謝組學技術聯合分析在鞘翅目、雙翅目和膜翅目昆蟲中有所應用。李媛媛等(2022)在轉錄和代謝水平上對滯育與非滯育傘裙追寄蠅蛹期進行組學分析,獲得7 513個差異基因和501個差異代謝物,主要參與氨基酸代謝、神經和消化系統以及信號轉導途徑;劉敏(2020)研究結果表明茶足柄瘤蚜繭蜂滯育相關基因和代謝物在正離子模式下主要富集通路為氨基酸、脂以及核苷酸代謝通路,在負離子模式下,兩者僅富集到半乳糖代謝通路。轉錄組學與代謝組學聯合分析往往結合生物信息學的方法,如王攀(2020)利用核磁共振技術分析了柑橘大實蠅Bactroceraminax滯育與非滯育蛹的代謝譜,通過GO分類分析和KEGG分析,結果發現21種顯著差異代謝物多與三羧酸循環和抗寒性機制相關,成功注釋的序列多與細胞過程、結合及催化活性相關,KEGG數據庫中被注釋的通路以信號轉導相關數量最多;另一對柑橘大實蠅蛹滯育的分析顯示,4 808個差異基因主要參與代謝和信號轉導以及內分泌系統和消化系統過程,作為溫度保護劑的脯氨酸和海藻糖在柑橘大實蠅的滯育調控中發揮重要作用(Wangetal., 2017)。此外Moos等人(2022)通過轉錄組學與代謝組學技術證實緣吸汁果蠅的食物攝入是碳骨架的重要來源,可直接同化或代謝轉化為昆蟲應對滯育和寒冷的冷凍保護劑。

2.3 蛋白質組學和代謝組學聯合分析

蛋白質組學和代謝組學的聯合分析在昆蟲中的應用實例相對較少,在昆蟲滯育層面相關的文獻少之又少。兩者聯合分析的案例雖然不多,但研究結果提供了有價值的數據資料.如棉鈴蟲Helicoverpaarmigera幼蟲血淋巴和腦的平行蛋白質組學和代謝組學聯合分析實驗,共獲得37個差異表達蛋白和22個差異代謝物,大腦中則均獲得49種差異蛋白和代謝物,其中兩實驗中分別有28種和37種差異蛋白質被成功鑒定,為棉鈴蟲滯育分子機制闡明提供了線索(Zhangetal., 2012; 2013)。翼蚜外繭蜂Praonvolucre在滯育期間會積累高水平的山梨糖醇等低溫保護物質,多種蛋白質也在這一時期發揮調節作用,包括具有細胞骨架和角質層的重塑、脅迫耐受性、蛋白質周轉、脂質代謝和各種代謝酶等功能的蛋白質(Colinetetal., 2012)。

多組學技術的聯合應用有效避免了單一組學的局限性,通過多個組學間的內在聯系,將基因、蛋白質和代謝物三個維度間的信息優勢互補,更具全面性和系統性,有助于推進和完善昆蟲滯育調控的分子機制,為益蟲的生存和害蟲的控制帶來新突破。表2為多組學技術聯合分析在昆蟲滯育研究中的案例。

表2 多組學分析技術在昆蟲滯育中的應用舉例

3 小結與展望

滯育是昆蟲應對不良環境條件暫時停止生長發育的現象,為昆蟲的生存、繁衍和進化提供有利的保障。近年來,人們對昆蟲滯育的研究愈加深入,組學技術的發展極大地促進了昆蟲滯育調控分子機制研究工作的進步,通過單組學和多組學聯合分析等技術,現已對部分昆蟲的滯育機制有了突破性的研究進展。但相關的工作大多缺乏功能性驗證,即通過組學對滯育差異基因、蛋白或代謝物進行初步分析和篩選,未對其進一步驗證和挖掘,且多組學分析結果離不開生物信息學分析結果的輔助,單一組學本身及組學數據間的整合仍然存在困難(Maoetal., 2019)。因此,想要真正解決昆蟲滯育研究中的問題,未來的研究一方面需要在不同組學數據間的整合方面做深入工作,以進一步加強組學間的聯合應用;另一方面在開展多組學分析工作的同時應該進一步加強其與功能驗證分析的聯合應用,即通過組學分析獲得參與昆蟲滯育調控的候選基因、蛋白或者代謝物,繼而利用RNAi、CRISPR基因編輯、以及經典的分子生物學方法和技術等方式,明確候選基因、蛋白和代謝物的功能和參與調節滯育的深層機制。